belle-lumiere

L'arrivée du laser a été annoncée par certains journaux comme le début d'une nouvelle ère de rayons de mort militaires, les cousins ​​tueurs du Martian Heart-Ray dans La Guerre des Mondes . Mais il y a un demi-siècle, Townes et Schawlow ne savaient pas vraiment ce que l'on pouvait faire de leur invention ou de son prototype, le maser (qui utilisait des micro-ondes au lieu de la lumière visible). Ils savaient juste qu'ils avaient trouvé un moyen astucieux de faire briller la lumière de manière forte et droite.

"Les gens me plaisantaient," les lasers sont une solution à la recherche d'un problème "", a déclaré Townes.

Il y pense à chaque fois qu'il va à la caisse de l'épicerie, où la lumière est utilisée pour scanner le prix de chaque produit. Un laser lit le CD dans son lecteur CD. Les géomètres ont utilisé un laser pour mesurer les limites précises de la propriété sur la ferme de Townes dans le New Hampshire. Lorsqu'il passe un appel téléphonique longue distance, ses paroles sont transmises par lumière laser le long d'un câble à fibre optique.

Il est difficile de surestimer l'utilité d'un outil qui fait briller la lumière. Les faisceaux laser tirés de la Terre ont rebondi sur les miroirs laissés sur la lune par les astronautes d'Apollo, permettant aux scientifiques de mesurer la distance de la lune - sur plus de 225 000 miles (362 100 kilomètres) - à moins d'un demi-pouce (1,3 cm). La chirurgie au laser corrige une vision défectueuse dans une procédure de plus en plus courante.

«Quand un ami vient me voir et me dit que la chirurgie au laser a sauvé sa vue, c'est une chose très émouvante», dit Townes.

«La lumière est une sonde universelle», déclare Michael Hart, physicien. Il me faisait visiter la source de lumière du synchrotron national, à Upton, New York. Construit au début des années 1980, c'est un appareil tentaculaire d'une complexité comique et est, dit Hart, la "source de lumière la plus utilisée" au monde.

Le synchrotron utilise des aimants pour guider les électrons autour d'un anneau de la taille d'un terrain de basket. Chaque fois qu'un électron tourne un coin, pour ainsi dire, il émet un photon. Les photons s'envolent de l'anneau dans ce qu'on appelle des lignes de lumière. Il y a 92 lignes de lumière en fonctionnement sur deux anneaux de synchrotron, et chacun a été personnalisé avec une gamme éblouissante de gadgets de savant fou - cadrans, jauges, vannes, pompes, chambres à vide, capteurs optiques, fils, tuyaux et beaucoup de gifles- sur une feuille d'aluminium. Les différentes lignes de lumière sont utilisées par des chercheurs d'universités, de laboratoires gouvernementaux et d'endroits comme IBM, Bell Labs et Exxon.

Que font-ils de la lumière? La plupart du temps, ils regardent les choses, comme on s'y attend. Ils examinent les impuretés dans les matériaux. Ils examinent la porosité des roches extraites de la Terre par les foreurs de pétrole, huit des lignes de lumière sont utilisées pour étudier la structure tridimensionnelle des protéines dans le but de déchiffrer certains des secrets du corps humain.

Pendant un certain temps, l'une des lignes de lumière a été utilisée pour une procédure de diagnostic médical appelée angiographie coronarienne. Il y avait un problème à faire les examens: qui voudrait s'asseoir devant un canon à rayons géant qui semble pouvoir brûler un trou à travers la Terre? Les chercheurs ont construit une salle d'examen avec un mur blanc, avec seulement le minuscule engourdissement de l'appareil de la ligne de lumière.

Les photons ici vont des radiations infrarouges aux rayons X - bien au-delà de la portée de la lumière visible. Hart s'étonne que, pendant tant d'histoire humaine, nous ayons perçu le monde naturel uniquement avec la lumière visible, cette tranche du spectre électromagnétique allant du rouge au violet. L'utilisation de la lumière au-delà du domaine visible a permis aux scientifiques de créer un nouveau tableau d'images de la réalité qui nous entoure. "Nous pouvons voir une seule couche d'atomes sur une surface", a déclaré Hart.

Comme tout le monde à qui j'ai parlé et qui traite de la lumière, Hart semblait presque impressionné par le pouvoir de la lumière. La technologie évolue constamment, permettant aux ingénieurs de créer des poutres toujours plus lumineuses. La règle générale, a déclaré Hart, est que la luminosité a été multipliée par cent tous les cinq ans.

L'industrie des télécommunications aime la lumière. Lorsque vous visitez les Bell Labs de Lucent Technologies à Holmdel, New Jersey, vous êtes accueilli par une pancarte indiquant «Bienvenue à Photon Valley». Il est apparu quelque chose qui ressemble presque à un culte de la lumière de haute technologie dans cette industrie, construit autour de la conviction que les êtres humains exploiteront de plus en plus la quantité presque infinie de bande passante trouvée dans un faisceau lumineux.

Kathy Szelag, vice-présidente du groupe de réseautage optique de Lucent, m'a dit: «Des gens comme mes parents pensent que nous sommes dans la partie Star Wars des réseaux optiques. Nous sommes vraiment dans la partie pétrole brut des réseaux optiques. Nous sommes juste au début." Son collègue Bob Windeler, chercheur sur la fibre optique, a ajouté: "La quantité d'informations que vous pouvez mettre sur une fibre plus que double chaque année." En théorie, une seule fibre pourrait un jour transmettre simultanément tous les appels téléphoniques sur Terre.

L'optimisme a été tempéré ces derniers temps par des difficultés commerciales parmi les entreprises de télécommunications, mais la technologie reste impressionnante. Prenons, par exemple, le multiplexage par division de longueur d'onde. Les lasers sont utilisés pour projeter différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge sur une seule fibre. Chaque longueur d'onde est son propre canal de données - son propre canal. À l'heure actuelle, une fibre peut transporter des dizaines de ces canaux, mais cela pourrait devenir des milliers, voire des millions. «C'est aussi proche du miracle qu'il y en a», déclare Dave Bishop, vice-président de la recherche optique chez Lucent, ressemblant beaucoup à toutes les autres personnes folles de lumière à qui j'ai parlé.

George Gilder, un théoricien politique conservateur qui s'est transformé en un gourou influent de la technologie, a déclaré ces dernières années que la lumière serait le support d'une révolution des communications. «Vous pouvez imaginer un point où chacun dans le monde pourrait avoir sa propre longueur d'onde», dit Gilder. "Vous auriez une longueur d'onde qui vous connectait à la personne à qui vous voulez vous adresser à Vienne, à Tokyo ou en Terre de Feu, et cette longueur d'onde pourrait facilement accueillir des images en trois dimensions. Vous pourriez avoir des conversations dans lesquelles vous oublieriez en quelques secondes que la personne n'est pas présent. Vous voyez un visage, les images sature vos propres capacités optiques. "

Il ajoute: "Je crois que la lumière a été faite par Dieu pour les communications." Quelles informations cosmiques anti-orthodoxie la lumière des étoiles fournira-t-elle à nos télescopes? La boule disco rotative fera-t-elle un jour un retour sur la piste de danse? Surtout, vous devez vous demander: comprendrons-nous jamais pleinement la lumière?

Nous avons passé des milliers d'années à chasser les rayons du soleil, et même si nous ne les attrapons jamais tout à fait, nous découvrons encore de nombreuses merveilles dans la poursuite. La physique moderne, avec ses paradoxes et ses incertitudes, est issue de l'étude de l'interaction de la matière et de la lumière. La cosmologie moderne, y compris l'étonnante révélation que l'univers est en expansion, est venue de l'examen minutieux d'une faible lumière galactique. L'ingénierie informatique moderne pourrait éventuellement se tourner vers la lumière et fabriquer des dispositifs qui, au lieu de puces en silicium, ont des faisceaux lumineux au cœur.

Il y a eu récemment des manchettes sur les scientifiques qui ont trouvé des moyens de faire passer la lumière plus vite que la vitesse de la lumière. C'est ce à quoi les écrivains de science-fiction et certaines personnes trop imaginatives rêvent depuis des décennies. Si vous pouviez fabriquer un vaisseau spatial qui n'était pas lié par la limite de vitesse d'Einstein, vous pourriez parcourir l'univers beaucoup plus facilement.

Lijun Wang, chercheur au NEC Research Institute à Princeton, New Jersey, a réussi à créer une impulsion de lumière plus rapide que la limite de vitesse supposée. "Nous avons créé un milieu artificiel de gaz de césium dans lequel la vitesse d'une impulsion de lumière dépasse la vitesse de la lumière dans le vide", a-t-il déclaré. "Mais ce n'est pas en contradiction avec Einstein." Même si la lumière peut être manipulée pour aller plus vite que la lumière, la matière ne le peut pas. L'information ne peut pas. Il n'y a aucune possibilité de voyage dans le temps.

J'ai demandé à Wang pourquoi la lumière passait à 186 282 miles par seconde (299 792 kilomètres par seconde) et non à une autre vitesse.

«C'est comme ça que la nature est», dit-il.

Il y a des scientifiques qui n'aiment pas les questions «pourquoi» comme celle-ci. La vitesse de la lumière est ce qu'elle est - c'est leur croyance. La question de savoir si la lumière se déplacerait à une vitesse différente dans un univers différent est quelque chose qui n'est actuellement pas du ressort de la science expérimentale. C'est même un peu excentrique pour les théoriciens.

Ce qui est certain, c'est que la lumière restera extrêmement utile - pour l'industrie, la science, l'art et nos allées et venues quotidiennes et mondaines. La lumière imprègne notre réalité à toutes les échelles de l'existence. C'est un outil incroyable, un porteur de beauté, un donneur de vie.

Je ne peux m'empêcher de dire qu'il a un très bel avenir.

Comment se fait-il, ai-je demandé à Moïse, que la lumière soit une source d'énergie si utile?

"Parce que vous pouvez compresser beaucoup d'énergie lumineuse en un très petit point", a-t-il déclaré. Les enfants, a-t-il noté, découvrent cela lorsqu'ils jouent avec une loupe par une journée d'été ensoleillée.

Nous arrivons ici à une facette du miracle de la lumière. Il n'a pas de volume. Et les photons n'ont pas de charge, donc en cours de concentration dans un très petit espace, ils ne se repoussent pas comme le font les électrons chargés négativement. (NIF adaptera 4 x 1024 photons dans la capsule cible.) "Ils ne se dérangent pas" est la façon dont Moïse le dit.

Combien d'anges de lumière peuvent danser sur la tête d'une épingle? En théorie, un nombre infini.

Aussi difficile qu'il soit de comprendre la lumière, les anciens l'avaient d'autant plus difficile. Faute d'instruments scientifiques, ils ne pouvaient sonder la nature de la lumière qu'avec leur esprit inventif. «La lumière est l'activité de ce qui est transparent», était l'une des déclarations plutôt opaques d'Aristote. Cette transparence était une propriété essentielle de diverses substances; lorsqu'il est activé par le soleil ou le feu, il produit de la lumière et de la couleur.

Le philosophe et poète Empédocle du Ve siècle av.J.-C. avait la brillante intuition que la lumière est une substance ruisselante émise par le soleil et que nous ne sommes pas conscients de son mouvement parce qu'il se déplace trop vite. Mais il a également souscrit à la notion de «feu dans l'œil», comparant les yeux à des lanternes. De nombreux Grecs, dont Platon et Euclide, partageaient cette conviction que les yeux produisent une sorte de rayon visuel. Cela expliquait le fait curieux que parfois nous regardons dans la direction d'un objet sans le remarquer immédiatement. Le rayon, a-t-on supposé, doit frapper l'objet directement avant de pouvoir être vu. Aristote faisait partie de ceux qui ont souligné que si c'était vrai, nous pourrions voir dans le noir.

Il y a mille ans, le scientifique arabe Alhazen a soutenu que la douleur que nous ressentons lorsque nous regardons le soleil est la preuve que la lumière pénètre dans l'œil et non l'inverse. Des siècles plus tard, Léonard de Vinci s'est rendu compte que l'œil s'apparente à la camera obscura, lancée par Alhazen, dans laquelle la lumière passe à travers un trou d'épingle dans une pièce sombre et projette une image inversée du monde extérieur sur un mur. Descartes fit plus tard un examen assez dramatique du globe oculaire d'un bœuf, en raclant l'arrière de l'œil et en le scrutant. Il a vu que l'œil saisit une image inversée et à l'envers du monde. Pourquoi le monde n'a-t-il pas l'air à l'envers? Parce que notre esprit corrige l'image. La vue a un élément à la fois physique et psychologique.

La lumière passa bientôt par le laboratoire d'Isaac Newton et ne se ressembla plus jamais. Dans les années 1660, Newton a démontré que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs du spectre. À l'aide d'un prisme, il a divisé la lumière du soleil en un arc-en-ciel, puis a utilisé plus tard un deuxième prisme pour ramener les couleurs à la lumière blanche.

«Quelle que soit la lumière», dit-il à la Royal Society en 1675, «je suppose qu'il se compose de rayons successifs différant les uns des autres dans des circonstances contingentes, comme la grandeur, les formes ou la vigueur, comme les Sands on the Shoar, les Waves de la mer, des visages des hommes et de toutes les autres choses naturelles. "

Newton croyait que la lumière était particulaire - "des multitudes de corpuscules inimaginables petits et rapides de différentes tailles, jaillissant de corps brillants à de grandes distances les uns après les autres." Newton était un tel géant dans le paysage scientifique que ses rivaux n'avaient guère de chance de pousser la théorie selon laquelle la lumière est une onde. La théorie des vagues n'a commencé à rebondir que lorsque les titans de la science du XIXe siècle ont rejoint la bataille pour comprendre la lumière et se sont massivement rabattus du côté des vagues. C'est James Clerk Maxwell, un Écossais, qui, dans les années 1860, a fait l'une des percées les plus importantes. Il avait étudié l'électricité et le magnétisme et s'était rendu compte qu'ils se propageaient dans l'espace à - coïncidence - la vitesse de la lumière. La lumière, conclut-il, est une onde «électromagnétique».

Le débat particule contre onde s'est soldé par une sorte de trêve, régie par la mécanique quantique: la lumière est produite par les changements du niveau d'énergie des électrons. La lumière se déplace dans l'espace comme une onde, mais lorsqu'elle rencontre de la matière, elle se comporte comme une particule. Cela ne rentre tout simplement pas dans l'une de nos petites catégories. «La lumière, en effet, est différente de tout ce que nous connaissons», écrit Sidney Perkowitz, physicien à l'Université Emory et auteur d' Empire of Light . L'ère d'incertitude permanente a commencé en 1900, lorsque les expériences de Max Planck avec le rayonnement thermique impliquaient que la lumière martelait la matière en morceaux discrets - quanta, il les appelait - comme les balles d'une mitrailleuse. Cela semblait contraire aux équations de Maxwell, et Planck hésitait à le croire.

Entre Albert Einstein. Il est de notoriété publique qu'Einstein, en promulguant la théorie spéciale de la relativité, a détruit l'univers newtonien mécanique et déterministe. Il a réalisé cette percée théorique en pensant… oui, à la lumière. Einstein a fait des "expériences de pensée", et dans une il a demandé ce qui se passerait si vous pouviez monter un faisceau de lumière et regarder un faisceau adjacent. Le faisceau lumineux adjacent n'apparaîtrait-il pas immobile? Les équations de Maxwell ne semblaient pas permettre à la lumière de ralentir ou de s'arrêter lorsqu'elle se déplaçait dans l'espace. La réponse d'Einstein - que la vitesse de la lumière est constante pour tous les observateurs indépendamment de leur propre vitesse - a effacé la conception classique de l'espace et du temps.

Les bases ont été jetées pour Einstein par une expérience célèbre en 1887 par les scientifiques américains Albert Michelson et Edward Morley. La Terre, selon l'orthodoxie de l'époque, se déplaçait à travers un éther fixe qui remplissait l'espace. Personne n'avait jamais détecté cet éther, mais le bon sens exigeait son existence. Michelson et Morley ont entrepris de le détecter en mesurant la vitesse de la lumière lorsque les faisceaux lumineux se déplaçaient avec et perpendiculairement au mouvement de la Terre. Ils s'attendaient à ce que la lumière montre les effets du «courant» de cet éther alors que la Terre avançait. Ça ne l'a pas fait. La vitesse de la lumière était la même quelle que soit sa direction. Les scientifiques, dont Michelson et Morley, étaient consternés et espéraient que les résultats étaient tout simplement faux. Einstein les a acceptés. Il n'y a pas d'éther, dit-il. Il n'y a pas d'emplacement absolu dans l'espace. Il n'y a pas

J'avoue que la relativité me fait tourner la tête. Un faisceau de lumière provenant du phare d'une locomotive pour excès de vitesse devrait se déplacer plus rapidement - dit le bon sens - que le faisceau d'une lampe de poche fixe. Ce n'est pas le cas. Et personne ne peut y faire rien.

La relativité d'Einstein présente toutes sortes d'implications époustouflantes. Il révèle qu'à mesure que les objets approchent de la vitesse de la lumière, le temps ralentit. À la vitesse de la lumière elle-même, le temps s'arrête.

Ce fait peut nous aider à réfléchir aux voyages effectués par la lumière des étoiles, la lumière des galaxies et la lumière du quasar à travers les distances cosmiques. Nous utilisons le terme année-lumière pour exprimer une unité de distance (environ six mille milliards de miles [9,7 billions de kilomètres]). Mais si vous étiez la lumière elle-même - si vous pouviez être le photon - vous n'auriez pas de temps. Ce long voyage serait instantané.

Ce que nous appelons la lumière est en réalité la même chose - dans un ensemble différent de longueurs d'onde - que le rayonnement que nous appelons ondes radio ou rayons gamma ou rayons X. Mais dans la pratique, les scientifiques utilisent souvent le terme «lumière» pour désigner la partie du spectre électromagnétique au voisinage de la lumière visible. La lumière visible ne ressemble à aucun autre élément fondamental de l'univers: elle interagit directement, régulièrement et de façon spectaculaire avec nos sens.

Nos yeux ont chacun environ 125 millions de bâtonnets et de cônes - des cellules spécialisées si sensibles que certains peuvent détecter une poignée de photons. «Environ un cinquième de votre cerveau ne fait rien d'autre qu'essayer de gérer le monde visuel qui vous entoure», déclare Sidney Perkowitz. La position des yeux, semi-protégés dans le cas du crâne proche du cerveau, témoigne de l'importance des données visuelles.

Artcile Crée PAR JOEL ACHENBACH ,

REPUBLIÉ À PARTIR DES PAGES DU MAGAZINE NATIONAL GEOGRAPHIC

IL Y A EU DE LA lumière depuis le début. Il y aura de la lumière, faiblement, à la fin. Sous toutes ses formes - visibles et invisibles - il sature l'univers. La lumière est plus qu'un peu impénétrable. La physique moderne a découpé la nature en constituants de plus en plus petits et exotiques, mais la lumière ne diminuera pas. La lumière est lumière - pure, mais pas simple. Personne ne sait exactement comment le décrire. Une vague? Une particule? Oui, disent les scientifiques. Tous les deux. C'est une mesure de l'importance de la lumière dans notre vie quotidienne que nous n'y prêtons guère attention. La lumière est presque comme l'air. C'est une offre. Un humain ne s'attarderait pas plus sur le concept de lumière qu'un poisson ne méditerait sur la notion d'eau.

Il y a des exceptions, certains moments d'appréciation soudaine lorsqu'une manifestation particulière de lumière, une gloire transitoire, apparaît - un arc-en-ciel, un coucher de soleil, une impulsion de chaleur éclair dans un ciel sombre, la surface scintillante de la mer au crépuscule, la lumière tachetée dans une forêt, le petit point rouge du pointeur laser d'un professeur. Vitrail dans une église, rétro-éclairé par un ciel lumineux. Le scintillement d'une bougie, inondant une pièce de romantisme. La lampe de poche recherche les disjoncteurs après une panne de courant.

Habituellement, cependant, nous ne voyons pas la lumière, nous voyons simplement avec elle. Vous ne pouvez pas apprécier la beauté d'une rose si vous pensez que la couleur rouge n'est que l'interprétation par le cerveau d'une longueur d'onde spécifique de la lumière avec des crêtes distantes d'environ 700 nanomètres. Une directrice d'éclairage de théâtre m'a dit qu'elle faisait le mieux son travail quand personne ne remarquait les lumières du tout. Son objectif est de créer une atmosphère, une ambiance - pas de montrer les nouveaux filtres dichroïques fantaisistes qui créent des couleurs d'une intensité saisissante.

En tant que personne dont la compréhension de la lumière commençait et se terminait à peu près par le basculement des interrupteurs, je craignais qu'une histoire sur la lumière soit plutôt éthérée et ésotérique. Il n'y aurait sûrement rien qui ressemblerait à des informations de dernière minute sur le battement léger. Faux!

Essayez une recherche sur Internet sous le mot-clé «photonique». Un photon est ce que vous appelez la lumière lorsqu'il se comporte comme une particule subatomique. Il s'avère que les photons sont une denrée très prisée. Ils remplacent les électrons - nous les connaissons depuis l'école primaire comme les particules chargées négativement qui gravitent autour des noyaux des atomes - en tant qu'outil préféré de l'industrie moderne pour transmettre des informations.

Plus vous regardez le sujet, plus vous vous rendez compte que nos vies sont construites autour de la lumière, que notre existence quotidienne est continuellement façonnée - et rendue vivante - par cette substance ambiguë qui date du commencement des temps. De notre technologie à notre spiritualité, nous sommes des créatures de lumière.

Une question ne semble pas disparaître: qu'est -celéger, exactement? J'ai obtenu une partie de la réponse du plus grand laser du monde, le National Ignition Facility. Le NIF est en construction au Lawrence Livermore National Laboratory, à environ une heure à l'est de San Francisco. Le laser est en fait 192 lasers en collusion - ou peut-être devrait-on dire collision. Les 192 faisceaux de lumière individuels, regroupés en faisceaux de quatre, parcourront la longueur d'un bâtiment imposant de 700 pieds (213 mètres) de long et 400 pieds (122 mètres) de large. En entrant dans un switchyard de miroirs, chaque paquet ricochera et tirera à travers l'un des 48 portails de la chambre cible. La chambre est l'attraction vedette de l'installation. Il mesure 9,1 mètres de diamètre et pèse un million de livres. Les portails lui donnent une surface alvéolée qui rappelle une énorme balle de golf venue de l'espace.

À l'intérieur de la chambre, les faisceaux laser s'écraseront sur un cylindre plaqué or, légèrement plus petit qu'un Tootsie Roll, avec une pastille remplie de gaz à l'intérieur. Les gaz contenus dans la pastille, sous la pression de toute cette lumière, se comprimeront au point de réaliser la fusion nucléaire.

"Le but est de créer une étoile miniature dans le laboratoire", a déclaré Ed Moses, le chef de projet du NIF.

Il s'agit pour le moins d'un projet ambitieux, et son prix de 3,4 milliards de dollars n'a pas échappé aux critiques. Ils notent que le NIF peut ne jamais produire une réaction de fusion. Technologiquement, ce n'est pas un slam dunk. Personne n'a jamais utilisé avec succès la lumière pour rassembler des noyaux atomiques. Le gros laser permettra aux scientifiques d'étudier les réactions thermonucléaires sans faire exploser une bombe. Un objectif à long terme du NIF est d'ouvrir la voie technologique vers une source d'électricité bon marché, inépuisable et sans pollution.

"Le NIF produira plus de puissance en une impulsion laser d'une nanoseconde que toute la puissance générée dans le reste du monde à ce moment-là", a déclaré Vaughn Draggoo, le physicien qui m'a montré la chambre cible.

Ecrit par JOEL ACHENBACH ,

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